我國(guó)航空物探無(wú)人飛行平臺(tái)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

陳偉，陳浩峰

摘 要：進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，現(xiàn)有礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量已無(wú)法滿(mǎn)足其需求，需要更加快速的手段來(lái)尋找更多的礦產(chǎn)資源。無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)的航空物探在礦產(chǎn)資源快速勘探中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。文章詳細(xì)介紹了固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人飛艇這三類(lèi)無(wú)人飛行器作為航空物探搭載平臺(tái)的研究現(xiàn)狀，并闡述了無(wú)人機(jī)航空物探發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：航空物探；無(wú)人機(jī)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）06-0191-02

Abstract： In 21th century， with the sustained and rapid development of China's economy， the existing reserves of mineral resources can no longer meet its needs， need more rapid means to find more mineral resources. With the rapid development of UAV technology， aerial geophysical exploration with UAV as flight platform plays an increasingly important role in the rapid exploration of mineral resources. In this paper， the research status of fixed wing UAV， rotor UAV and unmanned airship as aeronautical geophysical platform is introduced in detail， and the development trend of UAV aerogeophysical exploration is described.

Keywords： aeronautical geophysical exploration； UAV； development trend

引言

隨著地表礦、淺部礦、易識(shí)別礦的逐漸減少，國(guó)家提出了深部資源勘探計(jì)劃，這要求航空物探技術(shù)向更高分辨率、更大探測(cè)深度方向發(fā)展。而隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得能夠解決大比例尺、高分辨率作業(yè)的航空物探技術(shù)有了一個(gè)新的發(fā)展方向——無(wú)人機(jī)航空物探。

與傳統(tǒng)的有人機(jī)航空物探相比，無(wú)人機(jī)航空物探裝備具有小型化、智能化、成本較低、續(xù)航能力強(qiáng)、夜間飛行等特點(diǎn)，特別是人員零傷亡具有突出的優(yōu)勢(shì)。此外，其運(yùn)輸和使用的便捷性，超低空飛行能力以及能夠在復(fù)雜地形條件下進(jìn)行飛行測(cè)量等特點(diǎn)，使無(wú)人機(jī)航空物探在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家已研發(fā)出了一些較為成熟的商用無(wú)人機(jī)物探系統(tǒng)，取得了比較顯著的效果。國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)航空物探現(xiàn)在還處在起步階段，無(wú)人機(jī)平臺(tái)與國(guó)外相比還存在不少的差距，但是進(jìn)步較快，部分自主技術(shù)已到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。筆者主要對(duì)此作簡(jiǎn)要介紹。

1 我國(guó)航空物探無(wú)人飛行平臺(tái)研究現(xiàn)狀

1.1 固定翼無(wú)人機(jī)航空物探

固定翼無(wú)人機(jī)作為目前發(fā)展無(wú)人機(jī)航空物探的主要飛行平臺(tái)，具有飛行速度快、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于大面積、地勢(shì)平坦區(qū)域的礦產(chǎn)資源勘探。

2009年，中國(guó)科學(xué)院遙感所使用航模型無(wú)人機(jī)，翼展3.5m，起飛重量30kg，采用輪式自主起降。系統(tǒng)集成的氦光泵磁力儀（GB-10），靜態(tài)噪聲水平10PT；完成了4000km測(cè)線(xiàn)的應(yīng)用測(cè)試。

2011年，國(guó)家深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專(zhuān)項(xiàng)子項(xiàng)目固定翼無(wú)人機(jī)航磁勘探系統(tǒng)（SinoProbe-09-03）研制成功。該項(xiàng)目針對(duì)復(fù)雜地形條件和探測(cè)空域需求，攻克智能化無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)研制的關(guān)鍵技術(shù)，研制出多種類(lèi)型的航磁探測(cè)設(shè)備和高低空無(wú)人機(jī)搭載平臺(tái)，并自主開(kāi)發(fā)高精度、高穩(wěn)定、高效的無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)，成功打破國(guó)外的技術(shù)壟斷[1]。

2013年，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院物化探所等單位聯(lián)合研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的航空物探（磁/放）綜合系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載在具有長(zhǎng)航時(shí)的中型國(guó)產(chǎn)無(wú)人機(jī)彩虹3上，隨后在多寶山和克拉瑪依等地進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)和試生產(chǎn)測(cè)量。該系統(tǒng)的航磁、航放測(cè)量項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，基本實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，具備了推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前該系統(tǒng)已走出國(guó)門(mén)[2]。

2013年6月下旬，中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院于冀東司家營(yíng)-馬城沉積變質(zhì)型鐵礦帶成功開(kāi)展固定翼無(wú)人機(jī)航空磁測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)。航磁測(cè)量結(jié)果精確，與已知大比例尺地面磁測(cè)結(jié)果相吻合；此外還發(fā)現(xiàn)了兩處次一級(jí)磁異常，對(duì)冀東地區(qū)深部找礦具有重要意義。

1.2 旋翼無(wú)人機(jī)航空物探

旋翼無(wú)人機(jī)，主要指無(wú)人直升機(jī)，無(wú)需要跑道便可以垂直起降，飛行速度可以很慢，起飛后可以在空中懸停，飛行速度一般在0～50km/h之間。因其強(qiáng)大的靈活性，一般適用于地形比較復(fù)雜、需隨地形起伏飛行的勘探場(chǎng)合，是發(fā)展無(wú)人機(jī)航空物探的新方向。

2008年，中船重工715所開(kāi)始了基于無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)的無(wú)人直升機(jī)航磁系統(tǒng)研究，采用V750無(wú)人直升機(jī)，最大起飛重量757kg，最大載荷80kg，巡航速度145km/h，續(xù)航時(shí)間4h，采用垂直起降，升限3000m；搭載RS-HGB10型無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)，氦光泵磁力儀采樣率為10Hz，靜態(tài)噪聲水平10PT。

2010年，中南大學(xué)研制出一種搭載超低空質(zhì)子磁力儀的小型無(wú)人直升機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功在秘魯西部沿海地區(qū)進(jìn)行了大比例尺磁測(cè)飛行實(shí)驗(yàn)，其效率明顯高于地面工作。

2011年，核工業(yè)二一六大隊(duì)楊鏡明等人研發(fā)了可以實(shí)現(xiàn)超低空高精度磁法測(cè)量裝置。該裝置將高精度磁力儀安裝在航模直升機(jī)上，使用遙控設(shè)備實(shí)現(xiàn)遙控超低空飛行磁測(cè)[3]。

2013年，吉林大學(xué)承擔(dān)了國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目重載荷智能化物探專(zhuān)用無(wú)人直升機(jī)研制。

2016年，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院與航空企業(yè)合作研發(fā)中型無(wú)人直升機(jī)航磁系統(tǒng)，并對(duì)整套航磁系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行一系列的性能測(cè)試試驗(yàn)，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，目前已取得初步成果，即將在已知礦區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)飛行。

1.3 無(wú)人飛艇航空物探

無(wú)人飛艇是一種輕于空氣的航空器，艇體的氣囊內(nèi)充以密度比空氣小的浮升氣體（有氫氣或氦氣）借以產(chǎn)生浮力使飛艇升空，吊艙中安裝發(fā)動(dòng)機(jī)提供部分的升力，尾面用來(lái)控制和保持航向、俯仰的穩(wěn)定。大型無(wú)人飛艇適用于探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)和飛行速度慢的地球物理探測(cè)。

2011年，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院成功研制了無(wú)人飛艇式航磁測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在南京市溧水區(qū)開(kāi)展了飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與地面測(cè)量基本一致，真實(shí)反映了試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)-磁性特征，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)利用無(wú)人飛艇作為飛行平臺(tái)的航空物探技術(shù)空白。該院隨后在西非和國(guó)內(nèi)等地成功開(kāi)展了多項(xiàng)無(wú)人飛艇航空磁測(cè)項(xiàng)目，其工作效率高、周期短、成本低等特點(diǎn)得到了充分的展示，驗(yàn)證了飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)成果的可靠性、安全性，是礦產(chǎn)資源勘查、地質(zhì)構(gòu)造研究等領(lǐng)域的一種快捷高效的勘探手段，具有良好的發(fā)展前景和優(yōu)勢(shì)。

2012年，吉林大學(xué)成功研制無(wú)人飛艇長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)源時(shí)域地空電磁勘探系統(tǒng)，并在內(nèi)蒙古巴彥寶力格地區(qū)進(jìn)行了電磁探測(cè)實(shí)驗(yàn)，證明了地空電磁探測(cè)方法的有效性[4]。

2 發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)人航空物探由于其靈活性、高效性、低風(fēng)險(xiǎn)等特征，在基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查，能源、金屬、非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)勘查和水文、工程、環(huán)境地質(zhì)勘查中的航空物探測(cè)量中，起到越來(lái)越重要的作用。

無(wú)人飛行平臺(tái)是無(wú)人機(jī)航空物探的重要構(gòu)成，根據(jù)測(cè)量環(huán)境和任務(wù)綜合分析后選擇一個(gè)合適的無(wú)人飛行平臺(tái)，不僅可以提高航空物探勘查的精度和效率、節(jié)約飛行成本，而且還能確保生產(chǎn)飛行的安全，這對(duì)充分的發(fā)揮無(wú)人機(jī)航空物探勘查的技術(shù)優(yōu)勢(shì)起到至關(guān)重要的作用。所以，為了能夠更好地服務(wù)于未來(lái)地質(zhì)找礦的精細(xì)需要，針對(duì)不同的測(cè)量環(huán)境和勘查任務(wù)，航空物探無(wú)人飛行平臺(tái)的發(fā)展將會(huì)向著兩個(gè)主要方向進(jìn)行發(fā)展。

2.1 穩(wěn)定性好、載重大的大型無(wú)人飛行平臺(tái)

這類(lèi)飛行器主要有大型無(wú)人直升機(jī)、大型固定翼無(wú)人機(jī)以及其他飛行器，如V750無(wú)人直升機(jī)、TD220無(wú)人直升機(jī)、彩虹4無(wú)人機(jī)等。大型無(wú)人飛行平臺(tái)能夠搭載大型儀器設(shè)備，如航空超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)、大功率長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)源時(shí)間域航空電磁測(cè)量系統(tǒng)、航空放射性測(cè)量系統(tǒng)、航空重力梯度測(cè)量系統(tǒng)以及集成兩種以上航空物探方法的綜合測(cè)量系統(tǒng)等，可應(yīng)用在地質(zhì)找礦的重點(diǎn)成礦區(qū)帶和地質(zhì)研究工作的重點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展進(jìn)一步的勘探工作。

2.2 重量小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的小型無(wú)人飛行平臺(tái)

這類(lèi)飛行器主要有小型固定翼無(wú)人機(jī)、小型無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)以及其他飛行器，如ASN-216、MD4-1000等。以小型無(wú)人飛行器為平臺(tái)的航空物探主要以開(kāi)展航空磁測(cè)工作為主，具有易于操控，起降場(chǎng)所不受限制等特點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)在中高山、高原、戈壁灘、沙漠等復(fù)雜危險(xiǎn)地區(qū)開(kāi)展大比例尺、高分辨率和高精度的地質(zhì)詳查工作。正是由于無(wú)人飛行器具有高效、快速、低風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，以此為平臺(tái)的航空物探，被越來(lái)越多地應(yīng)用到UXO探測(cè)、地質(zhì)勘查、環(huán)境治理等領(lǐng)域。如果能進(jìn)一步提高此類(lèi)小型無(wú)人飛行平臺(tái)的續(xù)航時(shí)間、優(yōu)化飛行操控和智能化管理，將進(jìn)一步發(fā)揮該平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)低空空域的逐漸開(kāi)放、通用航空業(yè)的蓬勃發(fā)展、導(dǎo)航定位系統(tǒng)精度的逐步提高以及航空物探儀器向小型化、智能化方向發(fā)展，具有低功耗、高效、靈活、低風(fēng)險(xiǎn)特性的無(wú)人機(jī)航空物探技術(shù)必將在我國(guó)資源勘探領(lǐng)域迎來(lái)廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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